MUEHLBACHER PETER (DE)
DALISDA UWE (DE)
MUEHLBACHER PETER (DE)
WO2001003289A1 | 2001-01-11 | |||
WO2008042709A2 | 2008-04-10 | |||
WO2008013481A1 | 2008-01-31 |
EP1609239B1 | 2010-07-21 |
Ansprüche 1. Verstärker mit einer Hauptverstärkerschaltung (41, 61) und einer Hilfsverstärkerschaltung (42, 62), wobei Ausgangsanschlüsse der Hauptverstärkerschaltung (41, 61) und der Hilfsverstärkerschaltung (42, 62) gemäß dem Doherty-Prinzip verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker weiterhin eine Signalerzeugungseinrichtung (40, 60) beinhaltet, welche ausgebildet ist, um ein Hauptverstärkersignal als Eingangssignal der Hauptverstärkerschaltung (41, 61) und ein Hilfsverstärkersignal als Eingangssignal der Hilfsverstärkerschaltung (42, 62) direkt zu erzeugen. 2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptverstärkersignal einem zu verstärkenden Signal entspricht, und dass das Hilfsverstärkersignal den Signalspitzen des zu verstärkenden Signals entspricht. 3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptverstärkersignal und das Hilfsverstärkersignal phasenverschoben, insbesondere um 90° phasenverschoben, sind. 4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (40, 60) ausgebildet ist, um das Hauptverstärkersignal und das Hilfsverstärkersignal durch Modulation und/oder aus zu sendenden digitalen Daten zu erzeugen. 5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (40, 60) ein Modulator oder Steuersender ist. 6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker weiterhin eine Steuereinrichtung (46, 66) beinhaltet, und dass die Steuereinrichtung (46, 66) ausgebildet ist, um die Signalerzeugungseinrichtung (40, 60) zu steuern. 7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46, 66) ausgebildet ist, um anhand des zu verstärkenden Signals einen Schwellwert (53, 54, 55) zur Bestimmung des Hauptverstärkersignals und des Hilfsverstärkersignals zu bestimmen. 8. Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46, 66) ausgebildet ist, um den Schwellwert (53, 54, 55) anhand von statistischen Vorabinformationen, das zu verstärkende Signal betreffend, wirkungsgradoptimierend einzustellen. 9. Verstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker weiterhin eine Ruhestromerzeugungseinrichtung (65) beinhaltet, und dass die Ruhestromerzeugungseinrichtung (65) ausgebildet ist, um Ruheströme der Hauptverstärkerschaltung (61) und der Hilfsverstärkerschaltung (62) zu erzeugen. 10. Verstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (66) ausgebildet ist, um die Ruhestromerzeugungseinrichtung (65) zu steuern. 11. Verstärker nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (66) ausgebildet ist, um die Ruheströme der Hauptverstärkerschaltung (61) und der Hilfsverstärkerschaltung (62) anhand von statistischen Vorabinformationen, das zu verstärkende Signal betreffend, wirkungsgradoptimierend einzustellen. 12. Verstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (46, 66) ausgebildet ist, um einen mittleren Wirkungsgrad über eine Gesamtheit auszusendender Sendesymbole zu maximieren. |
Die Erfindung betrifft einen Verstärker, insbesondere einen Doherty-Verstärker .
Doherty-Verstärker bestehen üblicherweise aus zwei
Verstärkerzweigen, einem Hauptverstärker und einem
Hilfsverstärker. Die beiden Ausgänge von Hauptverstärker und Hilfsverstärker werden über eine λ/4-Leitung im
Hauptverstärkerzweig zusammengefasst . Der Lastwiderstand transformiert sich somit dynamisch auf Haupt- und
Hilfsverstärker, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt. Das zu verstärkende Eingangssignal wird dabei über einen Signalteiler dem Hauptverstärker und dem
Hilfsverstärker zugeführt. Die Phasenverschiebung der aufgeteilten Eingangssignale für Hauptverstärker und
Hilfsverstärker beträgt dabei 90°, um die
Phasenverschiebung im Hauptverstärkerzweig durch die im Ausgang befindliche, notwendige λ/4-Leitungstransformation zu kompensieren.
Ein solcher Doherty-Verstärker ist aus dem europäischen Patent EP 1 609 239 Bl bekannt. Nachteilhaft ist bei dem bekannten Doherty-Verstärker, dass durch die
Signalaufteilung sowie durch Toleranzen der
Einzelverstärker keine optimale Signaltrennung zwischen Haupt- und Hilfsverstärker stattfindet. Ein reduzierter Wirkungsgrad ist die Folge. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen
Verstärker zu schaffen, welcher einen hohen Wirkungsgrad aufweist . Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verstärker mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Verstärker verfügt über eine
Hauptverstärkerschaltung, eine Hilfsverstärkerschaltung und eine Signalerzeugungseinrichtung. Ausgangsanschlüsse der Hauptverstärkerschaltung und der
Hilfsverstärkerschaltung sind gemäß dem Doherty-Prinzip verbunden. Die Signalerzeugungseinrichtung ist
ausgebildet, um ein Hauptverstärkersignal als
Eingangssignal der Hauptverstärkerschaltung und ein
Hilfsverstärkersignal als Eingangssignal der
Hilfsverstärkerschaltung direkt zu erzeugen. Es wird so ein Verstärker mit sehr hohem Wirkungsgrad erreicht.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen beispielhaften Doherty-Verstärker ; Fig. 2 einen ersten beispielhaften Wirkungsgradverlauf;
Fig. 3 einen zweiten beispielhaften
Wirkungsgradverlauf; Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verstärkers; Fig. 5 einen ersten Wirkungsgradverlauf bei einem
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verstärkers ;
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verstärkers,
Fig. 7 einen zweiten Wirkungsgradverlauf bei einem
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verstärkers .
Zunächst wird anhand der Fig. 1 - Fig. 3 die der
gegenwärtigen Erfindung zu Grunde liegende Problematik erläutert. Anschließend werden anhand von Fig. 4 - Fig. der Aufbau und die Funktionsweise verschiedener
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verstärkers gezeigt. Identische Elemente wurden in ähnlichen
Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben .
Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Doherty-Verstärker . Ein Signalteiler 10 ist mit einer Hauptverstärkerschaltung 11 und einer Hilfsverstärkerschaltung 12 verbunden. Die
Hauptverstärkerschaltung 11 ist weiterhin mit einer λ/4- Leitung 13 verbunden. Die Hilfsverstärkerschaltung 12 und die λ/4-Leitung 13 sind mit einer weiteren λ/4-Leitung 14 verbunden .
Ein zu verstärkendes Eingangssignal wird dem Signalteiler 10 zugeführt. Dieser teilt es in ein Hauptverstärkersignal und ein Hilfsverstärkersignal auf. Das
Hauptverstärkersignal und das Hilfsverstärkersignal weisen dabei einen 90° Phasenversatz auf. Das
Hauptverstärkersignal entspricht dabei dem zu verstärkenden Signal. Das Hilfsverstärkersignal entspricht dabei diesen Signalspitzen. Die Hauptverstärkerschaltung 11 verstärkt das Hauptverstärkersignal, während die
Hilfsverstärkerschaltung 12 das Hilfsverstärkersignal verstärkt.
Die λ/4-Leitung 13 im Hauptverstärkerpfad führt eine
Leitungstransformation durch. Hierdurch findet eine dynamische Lastwiderstandtransformation derart statt, dass die Hauptverstärkerschaltung 11 bei einem Schwellwert, üblicherweise 6 dB, in die Sättigung geht. Bei weiterer Leistungserhöhung liefert die Hilfsverstärkerschaltung ebenfalls einen Beitrag zur Ausgangsleistung, was zur dynamischen Absenkung des Lastwiderstands für die
Hauptverstärkerschaltung 11 führt. Bei Vollausteuerung liefern beide Verstärker je 50% der Gesamtleistung.
Für den Doherty-Verstärker nach Fig. 1 ergibt sich dann der in Fig. 2 gezeigte theoretische Wirkungsgradverlauf 21. Bei dem eingestellten Schwellwert 20 geht die
Hauptverstärkerschaltung in die Sättigung. Bis zu diesem Punkt liefert die Hilfsverstärkerschaltung keinen Beitrag zur Ausgangsleistung. Zum Vergleich ist hier zusätzlich der Wirkungsgradverlauf 26 eines Klasse B Verstärkers eingezeichnet.
Durch die Signalteilung im Eingang, sowie durch Toleranzen der Einzelverstärker, unterschiedliche
Ruhestromeinstellung der Verstärker etc., kann keine optimale Signaltrennung zwischen der
Hauptverstärkerschaltung und der Hilfsverstärkerschaltung stattfinden. Teilweise liefert die
Hilfsverstärkerschaltung schon Leistung, obwohl die
Hauptverstärkerschaltung noch nicht in der Sättigung ist. Deshalb wird die Spitzeneffizienz im Bereich des
Schwellwerts nicht zuverlässig erreicht. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Der Wirkungsgradverlauf 31 entspricht dem Wirkungsgradverlauf 21 aus Fig. 2. Ein realer erreichbarer Wirkungsgradverlauf 33 ist zusätzlich dargestellt. Zum Vergleich ist weiterhin der Wirkungsgradverlauf 36 eines üblichen Klasse B Verstärkers dargestellt. Gegenüber diesem Klasse B Verstärker erreicht der
Wirkungsgradverlauf 33 des realen Doherty-Verstärkers jedoch noch immer einen deutlich höheren mittleren
Wirkungsgrad .
In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verstärkers dargestellt. Eine
Signalerzeugungseinrichtung 40 ist mit einer
Hauptverstärkerschaltung 41 und einer
Hilfsverstärkerschaltung 42 verbunden. Die
Hauptverstärkerschaltung 41 ist weiterhin mit einer λ/4- Leitung 43 verbunden. Die λ/4-Leitung 43 und die
Hilfsverstärkerschaltung 42 sind mit einer weiteren λ/4- Leitung 44 verbunden. Die Signalerzeugungseinrichtung 40 ist weiterhin mit einer Steuereinrichtung 46 verbunden.
Anstatt ein analoges zu verstärkendes Signal in ein
Hauptverstärkersignal und ein Hilfsverstärkersignal aufzuteilen, wie dies durch den Signalteiler 10 aus Fig. 1 erfolgt, wird hier durch die Signalerzeugungseinrichtung 40 ein Hauptverstärkersignal und ein Hilfsverstärkersignal erzeugt. Die Erzeugung kann dabei aus digitalen zu
verstärkenden Signalen erfolgen. Vorteilhafterweise erfolgt die Signalerzeugung dabei direkt.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der
Signalerzeugungseinrichtung um eine Modulationseinrichtung oder einen Steuersender. Das Hauptverstärkersignal und das Hilfsverstärkersignal werden dabei von der
Signalerzeugungseinrichtung 40 bereits mit einem 90° Phasenversatz erzeugt. Die Steuereinrichtung 46 steuert dabei die
Signalerzeugungseinrichtung 40. So stellt sie den
Schwellwert ein, bei welchem die
Signalerzeugungseinrichtung 40 das zu verstärkende Signal in das Hauptverstärkersignal und das Hilfsverstärkersignal aufteilt. In Abhängigkeit dieses Schwellwerts kann die Steuereinrichtung 46 somit unterschiedliche
Wirkungsgradverläufe einstellen. Hierauf wird anhand von Fig. 5 näher eingegangen. In Fig. 5 werden mehrere Wirkungsgradverläufe 50, 51, 52 resultierend aus mehreren unterschiedlichen Schwellwerten 53, 54, 55 gezeigt. Durch Einstellung dieser Schwellwerte 53, 54, 55 stellt die Steuereinrichtung 46 aus Fig. 4 gleichzeitig auch die jeweiligen Wirkungsgradverläufe 50, 51, 52 ein. Zum Vergleich ist hier zusätzlich der
Wirkungsgradverlauf 56 eines herkömmlichen Klasse B
Verstärkers aufgetragen.
Durch den Verzicht auf einen analogen Signalteiler wird so eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads erreicht. Die erzielbaren Wirkungsgradverläufe 50, 51, 52 liegen nahe bei dem theoretisch maximal erzielbaren
Wirkungsgradverlauf. Darüber hinaus ist durch Einstellung des Schwellwerts eine Optimierung für das gegenwärtig zu verstärkende Signal möglich. So könnte für Signale mit sehr hohen Spitzenwerten gegenüber dem Signalmittelwert, beispielsweise 9-12 dB, vorzugsweise 10 dB, ein
Wirkungsgradverlauf 50 eingestellt werden. Bei Signalen mit hohen Spitzenwerten gegenüber dem Signalmittelwert, beispielsweise 7-9 dB, vorzugsweise 8 dB, könnte ein
Wirkungsgradverlauf 51 eingestellt werden. Bei Signalen mit weniger hohen Spitzenwerten gegenüber dem
Signalmittelwert, beispielsweise 5-7 dB, vorzugsweise 6 dB, könnte ein Wirkungsgradverlauf 52 eingestellt werden.
In Fig. 6 wird ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verstärkers gezeigt. Der dargestellte Verstärker entspricht weitgehend dem Verstärker aus Fig. 4. Die Bezugszeichen 60-64 und 66 entsprechen den
Bezugszeichen 40-44 und 46 aus Fig. 4. Zusätzlich
beinhaltet der hier gezeigte Verstärker eine
Ruhestromerzeugungseinrichtung 65. Diese ist mit der
Steuereinrichtung 66, der Hauptverstärkerschaltung 61 und der Hilfsverstärkerschaltung 62 verbunden. Die
Ruhestromerzeugungseinrichtung 65 erzeugt dabei den
Ruhestrom bias_main der Hauptverstärkerschaltung 61 und den Ruhestrom bias_aux der Hilfsverstärkerschaltung 62. Die Erzeugung der Ruheströme bias_main und bias_aux erfolgt dabei in Abhängigkeit des gewünschten Schwellwerts der Signalaufteilung. Die Bestimmung der zu erzeugenden Ruheströme bias-main und bias_aux erfolgt auch durch die Steuereinrichtung 66. Eine weitere Annäherung des
Wirkungsgradverlaufs an den maximal theoretisch
erreichbaren Wirkungsgradverlauf wird so erreicht.
Insbesondere vorteilhaft ist der in Fig. 4 und Fig. 6 gezeigte Verstärker bei der Verstärkung von Signalen mit digitaler Modulation (z.B. QAM-OFDM, COFDM, etc.). Diese digitalen Modulationsarten finden Verwendung in vielen
Applikationen. Beispielhaft sollen hier DVB-T, DVB-H, DVB- T2, MediaFlo, ISDB-T, ATSC, CMMB, CDMA, WCDMA, GSM, etc. genannt sein. Diese Modulationsarten verfügen über
unterschiedliche Crest-Faktoren, bzw. über unterschiedliche Signalstatistiken. Die Signalstatistik dieser Signale ist entweder bekannt, kann gemessen werden, oder kann bei der Signalerzeugung berechnet werden. Das Hauptverstärkersignal und das Hilfsverstärkersignal können nun so berechnet werden, dass der Punkt mit dem höchsten Spitzenwirkungsgrad optimal zur Signalstatistik abgestimmt ist, um einen maximalen Summenwirkungsgrad der
Verstärkeranordnung zu erreichen. Dies ist in Fig. 7 dargestellt. So zeigt die Kurve 71 eine statistische
Amplitudenverteilung eines eingesetzten
Modulationsverfahrens. Der Wirkungsgradverlauf 70, welcher durch die Steuereinrichtung 46 bzw. 66 aus Fig. 4 bzw. Fig. 6 einbestellt wird, maximiert den durchschnittlichen Summenwirkungsgrad der auszusendenden Sendesymbole.
Eine geringfügige weitere Verbesserung des
durchschnittlichen Wirkungsgrads kann durch dauerhafte Überwachung der Statistik des auszusendenden Signals und eine Anpassung des einzustellenden Wirkungsgradverlaufs erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte
Ausführungsbeispiel beschränkt. Neben den bereits
erwähnten Modulationsverfahren sind auch andere
Übertragungsverfahren denkbar. Alle vorstehend
beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten
Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
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